化工仪表与自动化-第一章-自动控制系统的基本概念

化工仪表

及自动化第一章绪论自动控制学习这门课的重要性：

控制系统在化工领域的应用很普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等。工艺人员也应该充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出合理、高效的生产工艺。使用常规仪表的中央控制室早期的DCS控制系统现代计算机控制1自动控制系统概述本章的主要内容：1.1自动化及仪表发展概述1.2自动控制系统1.3控制系统过渡过程及品质指标1.1自动化及仪表发展概述控制理论的发展经典控制理论:20世纪40年～20世纪50年代Nyquist(1932)频域分析技术Bode(1945)图根轨迹分析方法(1948)特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究问题。适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计PID（（比例-积分-微分）控制器）控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一20世纪60年代获得迅猛发展其主要内容为：（基础）线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，系统辨识等。特点：从输入-状态-输出的关系全面地分析与研究系统。适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线形时变，非线性及离散系统，多输入、多输出的情况。现代控制理论:大系统理论:20世纪70年代开始将现代控制理论与系统理论相结合核心思想：

系统的分解与协调适用范围：

高维线性系统智能控制理论人工智能现代控制理论:基地式：20世纪50年代，适用于单回路单元组合式（按功能）：DDZ,QDZ20世纪60年代，之间用标准统一信号联系计算机：DDC,DCS20世纪70年代先进控制和优化控制：CIPS,FCS20世纪80年代以后

自动化仪表的发展经历了如下过程：

模拟仪表数字仪表智能仪表。控制系统结构及仪表的发展1.2.1自动控制系统自动控制的必要性蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图手动控制的步骤：(1)观察(2)判断，并发布命令。(3)操作1.2自动控制系统蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图术语被控过程（被控对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数被控过程：汽包被控变量：

汽包液位自动控制操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素操纵变量：水的流量扰动：水压力、蒸汽压力蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：工艺参数所要求保持的数值偏差：被控变量设定值与实际值之差负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图闭环控制：

在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。

闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。1.2.2闭环控制与开环控制开环控制：

开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。

1.2.2闭环控制与开环控制

开环的液位控制系统（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制举例1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器给水蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图闭环开环每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。闭环控制系统组成1.2.3自动控制系统的组成及方框图控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值c(t)：被控变量，y(t)：测量值，r(t)：设定值，u(t)：控制作用，q(t)：操纵变量，f(t):

扰动，e(t):

偏差按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类:

定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统

设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。

随动控制系统

设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。

程序控制系统

设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化1.2.4自动控制系统的分类1.3.1静态与动态

控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。环节的静态特性动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。

1.3.2自动控制系统的过渡过程发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减定值控制系统过渡过程的几种形式单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性（1）衰减比nn=B/B’（2）最大动态偏差emax或超调量（3）余差e(∞)（4）恢复时间Ts和振荡频率ω综合控制指标1.3.3自动控制系统的品质指标衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比

（1）衰减比n衰减比nCty(t)BB’A0稳态特性

n>1:衰减振荡

n=1:等幅振荡

n<1:发散振荡衰减比在4:1到10:1的范围内。衰减率：

对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。emax=|B+C|最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。

（2）最大动态偏差（emax）或超调量（σ）Cty(t)BB’A0稳态特性超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，即B=A-CAytBB’C0emax随动控制系统(2)最大动态偏差(emax)或超调量(σ)如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量。一般超调量以百分数给出。（3）余差e(∞)定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。

余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。（4）回复时间（过渡时间）Ts回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。实际上，被控变量接近于新稳态值。如：±5%

Cty(t)BB’A0稳态特性（5）振荡频率（或振荡周期）在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。次要指标振